王灿论文（新）-IEC61850数字变电站综合自动化系统(7)

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障信息，这些信息采集都来自不同TA或其他测量设备，然而保护、测控等系统信息应用分属不同部门，变电站自动化系统、变电站与控制中心之间的通信以及控制中心不同层次之间的信息缺乏统一建模规范，形成“信息孤岛”，造成来自不同信息采集单元的信息无法共享。

3．设备之间不具备互操作性

变电站二次设备缺乏统一的功能和接口规范，缺乏统一通信标准，不同厂家在规约和标准的理解、实现上存在差异，因此不同厂家IED设备之间缺乏互操作性，这是对变电站自动化系统进行长期运行维护的一大障碍。

4．系统可扩展性差

由于设备间互操作性和信息模型等原因，现有变电站自动化系统在系统扩展或设备更新时需要支付很大的额外成本。变电站增加间隔或更新保护、测控装置，由于通信接口和协议差异往往需要增加规约转换器，现场调试或数据库更新验证困难，造成系统扩展性差。

5．二次电缆影响系统可靠性

现有变电站自动化系统虽然实现了设备智能化，但是这些IED之间及IED与一次设备和变电站自动化系统之间仍采用电缆连接。二次系统安全性取决于IED具有的抗电磁干扰能力，而实际运行中由于各种原因，二次设备运行经常发生由于电缆遭受电磁干扰或一次设备传输过电压引起的异常动作，在二次电缆较长情况下，电容藕合干扰也会造成保护误动作，二次电缆实际构成了变电站安全运行的主要隐患。

4.3 数字化变电站自动化系统的结构特征[13-15]

随着非常规互感器逐步在工程中代替传统电磁互感器运行，IEC61850标准的颁布及其对信息的统一建模，高速以太网技术构建的变电站数据采集及传输系统的应用、智能化断路器技术的发展等，使得数字化变电站及数字化电网概念正被逐步提出。 4.3.1数字化变电站自动化系统的基本架构体系

基于IEC61850标准数字化变电站用非常规互感器代替常规继电保护、测控装置I/O接口，以交换式以太网代替传统二次电缆回路，间隔层IED实现了信息集成，以功能的软件冗余代替常规变电站装置冗余，最终使系统实现分层分布设计；智能化一次设备使控制回路数字化，尽可能下放常规变电站间隔层控制功能，实现整个变电站的小型化、紧凑化设计。

IEC61850根据变电站自动化系统要完成的监视、控制和继电保护功能，提出信息分层概念，从逻辑和物理概念上将变电站通信体系分为变电站层、间隔层和过程层，

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并定义了层与层之间的通信接口，其基本架构如图4-1所示。

图4-1 数字化变电站自动化系统基本架构图

IEC61850为数字化变电站自动化系统各层之间提供了标准信息接口模型，如图4-2所示，各接口具体含义如下：

接口1：间隔层与变电站层保护数据交换；

接口2：间隔层与远方保护保护数据交换(非IEC61850范围)； 接口3：间隔层内数据交换；

接口4：过程层与间隔层流互、压互瞬时数据交换； 接口5：过程层与间隔层控制数据交换； 接口6：间隔层与变电站层控制数据交换； 接口7：变电站层与远方工程师站数据交换；

接口8：间隔层之间直接数据交换(特别如连锁之类的快速功能)； 接口9：变电站层内数据交换；

接口10：变电站层和远方控制中心控制数据交换(非IEC61850范围)；

变电站层和间隔层间应用通信被抽象为ACSI通过SCSM映射到制造报文规范(MMS)、传输控制协议/网际协议(TCP/IP)以太网或光纤网的网络采用单点向多点的单

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向以太网通信。

图4-2 IEC61850数字化变电站信息流接口模型

对于数字化变电站三层的具体功能分析如下。 1．过程层

过程层是一次设备与二次设备的结合面，主要完成开关量I/O、模拟量的采集控制命令的传送执行等与一次设备相关的功能，这些功能通过逻辑接口4和5与间隔层通信。过程层所要完成的具体功能如下：

（1）变电站运行实时信息采集

过程层完成变电站运行电流、电压、相位及谐波分量的采集，间隔层设备通过计算得出有功、无功。信息采集采用光电电流电压互感器取代传统电磁式电流/电压互感器，输出数字量并通过光纤传输，抗干扰能力强，抗饱和特性好。

（2）变电站运行设备状态参数在线监测

过程层需要进行变压器、断路器、刀闸、母线、电容器、电抗器以及直流电源系统状态参数检测，内容包括温度、压力、绝缘、机械特性和相关工作状态等。

（3）操作控制的执行与驱动

操作控制的执行与驱动包括变压器分接头调节控制，电容、电抗器投切控制，断路器、刀闸的合分控制，直流电源充放电控制，在执行控制命令时具有智能性，能判别命令的真伪及其合理性，还能对即将进行的动作精度进行控制，能使断路器定相合

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闸，选相分闸，在选定相角下实现断路器的关合和开断。

2．间隔层

间隔层由保护测控单元、数字化计量设备等组成，完成保护、控制和测量功能。通过逻辑接口3实现间隔层内通信，通过逻辑接口4和5写过程层远方I/O、智能传感器和控制器通信。间隔层具体功能如下：

（1）收集本间隔过程层实时数据，实施对一次设备的保护和控制功能，并高速完成与过程层及变电站层的通信，实现数据共享；

（2）实施操作控制功能，实施本间隔防误闭锁功能，对数据采集及控制命令发出具有优先级选择；

3．变电站层

变电站层所要完成的功能如下：

（l）使用多个间隔或者全站数据，作用于多个间隔或全站的一次设备进行监视和控制，通过逻辑接口8通信；

（2）站控层的人机接口HMI功能，与远方控制中心的远动接口TCI功能，与监视和维护远方工程管理的TMI接口功能，通过逻辑接口1和6与间隔层通信，通过逻辑接口7和远方控制接口与外部通信。 4.3.2数字化变电站系统技术特征

数字化变电站是指变电站二次系统数字化，其主要技术特征体现在以下几点。 一、信息采集数字化

数字化变电站的一个重要标志就是采用非常规互感器即电子或光电式电压/电流互感器对电流、电压进行采集，并直接输出数字量，实现了一、二次系统的有效电气隔离，为实现信息集成提供前提，同时实现与二次设备直接进行数字化接口。

二、系统分层分布化

IEC61850根据变电站自动化系统所要完成的监视、控制和继电保护功能，提出信息分层概念，将变电站通信体系分为变电站层、间隔层和过程层，并定义了层与层之间通信的接口。

三、系统结构紧凑化

在数字化变电站中，智能化一次设备一般都集成了保护、测控及其他自动装置的I/O接口，如A/D变换、光电隔离、控制回路等，在低压变电站中，甚至将保护、测控小型化、紧凑化，安装在开关柜上实现机电一体化设计使得隔离开关、接地刀闸数量明显减少，站内其他元件及设备数量少、布置灵活紧凑、占地面积少，大量节约土建成本，大大减少现场安装、调试的工作量。

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四、系统建模标准化

IEC61850标准采用基于面向对象技术的统一建模语言 UML(unified Modeling Language)。这种标准模型使得电力系统各种应用不再依赖信息的内容表示，公用一种语言，各种异构系统集成将简单有效。

五、信息交互网路化

数字化变电站系统信息的采集、处理、传输主要通过网络实现，站内设备之间通信全部采用高速以太网实现信息共享，因此，信息流量控制和信息同步十分重要，提高网络速度并制定合适通信协议将是实现数字化变电站的关键。

六、信息应用集成化

变电站自动化系统集成就是将间隔层保护、控制、故障录波、事件记录等的数据处理功能集成在一个统一多功能数字装置内，间隔内、间隔间及间隔层同站级间的通信用少量光纤总线实现，取消传统硬接线。

七、设备检修状态化

数字化变电站信息采集、二次设备状态、操作命令下达与执行，完全可通过光纤实现信息有效检测，变电站可有效获取电网运行数据、各IED故障动作信息，监测控制与信号回路状态和设备状态采集没有盲区，实现状态检修，提高系统可用率。

八、设备操作智能化

高压断路器发展的趋势是实现断路器智能化，在断路器内嵌入电压、电流变换器，作为智能控制元件输入，系统的智能性由微机控制单元、智能型接口装置及控制软件实现。保护和测控命令通过光纤网络实现与断路器操作机构的数字化接口。

4.4数字化变电站自动化系统的关键技术

4.4.1非常规互感器

[11-12]

传统电磁式互感器存在的问题： （l）产品结构复杂，重量大，造价高。

（2）电磁式电流互感器存在电磁饱和，一次电流较大时会使二次输出发生畸变，影响保护设备故障判断，造成保护误动或拒动。

（3）电磁式互感器输出模拟量，不能与数字化二次设备直接接口。

非常规互感器是新一代有别于传统电磁式电压/电流互感器的新型互感器。按照原理可以将其分为有源和无源两大类。

1、有源非常规互感器

有源非常规互感器又称为电子式电压/电流互感器ECT/EVT（Electrical

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